專利名稱：螺紋式直線超聲電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲波應用裝置技術領域，具體是一種螺紋式直線超聲電機。
背景技術：
超聲電機是一種壓電電機，其利用壓電材料的逆壓電效應，把電能轉化為超聲電機定子的振動能，再通過摩擦作用把振動能轉化為運動部件的旋轉或者直線運動。它一般主要由定子、轉子(動子)及預壓力機構等組成。與傳統電磁電機相比，超聲波電機具有許多特點和優點，比如結構緊湊，能量密度(轉矩/質量)大，易于微型化；低速大力矩，無需齒輪減速機構，可以實現直接驅動；電機響應速度快，并且能實現斷電自鎖；位置和速度控制性好，位移分辨率高；超聲波電機是通過振動摩擦進行能量轉換的，在轉換過程中不產生磁場，亦不受外界磁場干擾，抗電磁干擾能力強；安靜無噪聲，超聲波電機工作在超聲頻段，由于不需要齒輪等減速機構，所以可以安靜無噪聲的運行；設計靈活，結構形式多樣化。螺紋超聲電機定子和轉子之間的驅動表面是螺紋面，可以直接將轉子的旋轉運動轉化為直線運動，且將傳統螺紋傳動中需要克服的沿螺紋線的摩擦力變為驅動力，具有力放大作用，并提高了系統的效率。螺紋超聲電機已出現了兩種類型，一種是搖頭型棒狀螺紋超聲電機，由DavidHanderson等人在美國專利US 7170214 B2中提出來，其在一個壓電陶瓷金屬復合管定子的兩端構造螺紋驅動端，使得螺紋驅動端的內螺紋與轉子軸上的外螺紋配合，兩路激勵信號在壓電陶瓷金屬復合管上激勵出搖頭運動，驅動端驅動螺紋轉子旋轉，并將旋轉轉化轉子的直線運動。定子整體結構較長。另一種類型是薄型面內行波螺紋電機，周鐵英等人在中國專利200510114849(美國專利US 7902723 B2)中提出了一種采用螺母形狀的壓電陶瓷金屬復合定子驅動的螺紋電機。低速大力矩是微型超聲電機的一個重要發展方向。目前存在的螺紋電機方案，電機在驅動時，定、轉子的接觸為點接觸或線接觸，出力不是很大。因此，仍舊需要發展新型原理的螺紋超聲電機以滿足狹小空間里的相對較大的驅動力的需求。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的上述不足，提供了一種螺紋式直線超聲電機。本發明是通過以下技術方案實現的。一種螺紋式直線超聲電機，包括定子和轉子，其中，所述定子包括定子基體和粘貼在定子基體上的縱振壓電片和扭振壓電片，所述定子基體為，在中空圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼縱振壓電片和扭振壓電片，所述縱振壓電片和扭振壓電片均對稱安裝，成對使用；所述轉子貫穿于定子，并通過轉子的外螺紋與定子上的兩個螺紋驅動端的內螺紋相配合；所述縱振壓電片和扭振壓電片在定子上激勵出縱振和扭振的復合振動，使得定子螺紋驅動端上的質點運動軌跡為橢圓，定子通過摩擦驅動轉子旋轉，并將旋轉運動轉化為直線運動。
所述定子通過縱振壓電片和扭振壓電片形成一階縱振和二階扭振的復合振動模態作為工作模態，所述一階縱振模態和二階扭振模態頻率接近，用同一頻率激勵信號對電機進行激勵，從而在定子上激勵出的縱、扭振動的相位差接近90度。所述扭振壓電片，其上表面電極分成左右兩部分，下表面被完整電極，且與定子基體粘接在一起，扭振壓電片左右兩部分極化方向相反，施加相同的交變激勵信號，貼在定子基體的兩側，單片使用時，在壓電片上激勵二階彎曲變形，成對使用時則將扭振壓電片的彎曲變形轉化為定子基體的二階扭轉變形。所述縱振壓電片，沿厚度方向極化，其上、下表面被完整電極，且與定子基體粘接在一起，貼在定子基體的兩側，成對使用時，施加相同的交變激勵信號，從而在定子基體上激勵出一階縱振變形。所述轉子的外螺紋牙型為三角形、梯形、矩形或圓弧形。所述定子和/或轉子上設有摩擦副。所述縱振壓電片和扭振壓電片為壓電陶瓷材料或壓電單晶。本發明提供的螺紋式直線超聲電機，將常規直線驅動方案中原本需要克服的螺紋間的摩擦力變成了驅動力，并將轉子的旋轉運動轉化為直線運動；定子采用貼片式結構，工藝簡單、易于微型化；由于定、轉子之間的接觸為面接觸，能提供更大的驅動力，并能實現調速和雙向驅動，具有成本低、精度高(微米甚至納米精度)、制作簡單等優點。該方案的顯著效果是克服了常規縱扭驅動模式中，扭振壓電片難于微型化的困難，利于微型化，并能在狹小空間里提供穩定的相對較大的力矩輸出。
圖1為縱向振動陶瓷片及其變型示意圖，其中，(a)為極化方向圖，(b)為變形圖，圖中，11為縱振壓電片，12、13為電極面，14為極化方向，15為電場方向；圖2為二分區扭轉振動陶瓷片及其變型示意圖，(a)圖為分區和極化方向圖，(b)圖為變形圖，圖中，21為扭振壓電片，22、23、24為電極面，25、26為極化方向，27、28為電場方向；圖3為定子的結構示意圖，圖中，31為定子基體，32為螺紋驅動端，33為內螺紋；圖4為定子的二階扭轉振動模態示意圖；圖5為定子的一階縱向振動模態示意圖；圖6為該電機的結構示意圖，圖中，61為轉子，62為轉子上的外螺紋。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。本實施例包括定子和轉子，其中，定子包括定子基體31和粘貼在其上的縱振壓電片11和扭振壓電片21，定子基體31為，在中空圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼縱振壓電片11和扭振壓電片21，縱振壓電片11和扭振壓電片21均對稱安裝，成對使用；轉子61貫穿于定子，并通過轉子的外螺紋62與定子上的兩個螺紋驅動端32的內螺紋33相配合；縱振壓電片11和扭振壓電片21在定子上激勵出縱振和扭振的復合振動，使得定子螺紋驅動端32上的質點運動軌跡為橢圓，定子通過摩擦驅動轉子61旋轉，并將旋轉運動轉化為直線運動。定子通過縱振壓電片11和扭振壓電片21的激勵，形成一階縱振和二階扭振的復合振動模態作為工作模態，一階縱振模態和二階扭振模態頻率接近，用同一頻率對電機進行激勵，從而在定子上激勵出的縱、扭振動的相位差接近90度。扭振壓電片21的上表面電極分成左右兩部分，下表面為完整電極，且與定子基體31粘接在一起，扭振壓電片21左右兩部分極化方向相反，施加相同的交變激勵信號，貼在定子基體31的兩側，單片使用時，在扭振壓電片21上激勵二階彎曲變形，成對使用時則將扭振壓電片21的彎曲變形轉化為定子基體31的二階扭轉變形。縱振壓電片11的上、下表面被完整電極，且與定子基體31粘接在一起，貼在定子基體31的兩側，成對使用時，施加相同的交變激勵信號，從而在定子基體31上激勵出一階縱振變形。轉子61的外螺紋62牙型為三角形、梯形、矩形或圓弧形。定子和/或轉子61上設有摩擦副。縱振壓電片11和扭振壓電片21為壓電陶瓷材料或壓電單晶。具體為，定子包括兩片縱振壓電片11、兩片扭振壓電片21、定子基體31和兩個螺紋驅動端32，兩片縱振壓電片11對稱貼在定子基體31的兩側，用于激勵定子的一階縱向振動，兩片扭振壓電片21對稱貼在定子基體31的兩側，用于激勵定子的二階扭轉振動。兩個螺紋驅動端32上有螺紋中心孔33。定子的一階縱振模態頻率和二階扭轉振動模態頻率設計為相同，激勵時，交變激勵信號(正弦或者矩形波)在定子上激勵出相位差盡量接近90度的縱向振動和扭轉振動，但激勵信號的相位差并不一定是90度。定子螺紋驅動端上質點的運動軌跡為橢圓。轉子61貫穿于定子，其上開有外螺紋62，與定子上的螺紋驅動端32上的內螺紋33相配合。定子通過摩擦驅動轉子61旋轉，并將旋轉運動轉化為直線運動，實現高精度驅動。縱振壓電片11沿著厚度方向14極化，上下表面12、13被電極，如圖1所示。在上下電極12、13之間施加一個交變電場15時,會產生沿長度方向伸長或縮短的變形。扭振壓電片21上表面22、24和下表面23被電極，如圖2所示，其中上表面電極分成左部分24和右部分22。彎振壓電陶瓷片21左右兩邊極化相反，左邊極化方向25，右邊26則方向相反。激勵時，上表面22、24接相同的交變電壓，下表面23接地，會在壓電陶瓷上激勵出如圖2(b)所示的彎曲變形。該扭振壓電片21貼在圓柱金屬基體的兩側，電極面23與金屬基體粘接在一起。成對使用后，彎曲變形將轉化為定子的扭轉變形。定子基體31為四面切邊的中空圓柱體，在圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼壓電片。定子基體31由銅或其他金屬材料構成。在兩片對稱安裝的縱振壓電片11上施加交變激勵信號，將在定子上激勵出如圖5所示的一階縱向振動。在兩片對稱安裝的扭振壓電片21上施加交變激勵信號，將在定子上激勵出如圖4所示的二階扭轉振動。若將定子的一階縱振模態頻率和二階扭轉模態振動頻率設計為相同，用同一頻率對電機進行激勵，則可激勵出定子的一階縱振和二階扭振的復合振動。縱、扭振動的相位差為90度，電機的性能最好。因此，應該調整兩相激勵信號的相位差，使得縱、扭振動的相位差盡量接近90度。兩個螺紋驅動端32安裝在定子基體的兩端，螺紋驅動端中心孔為螺紋孔，有內螺紋線33。定子在相同頻率的兩相激勵信號的作用下，形成縱扭復合振動，此時內螺紋33上的質點的運動軌跡為橢圓。轉子貫穿于定子，其上開有外螺紋62，與定子上的螺紋驅動端32上的內螺紋33相配合。定子通過摩擦驅動轉子61旋轉，并將旋轉運動轉化為直線運動。定子上或轉子上有摩擦材料，也可定子和轉子上同時處理上摩擦材料，構成摩擦副。螺紋驅動端32的螺紋牙型可以是三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋、圓弧螺紋中的任一種。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種螺紋式直線超聲電機，其特征在于，包括定子和轉子，其中，所述定子包括定子基體和粘貼在定子基體上的縱振壓電片和扭振壓電片，所述定子基體為，在中空圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼縱振壓電片和扭振壓電片，所述縱振壓電片和扭振壓電片均對稱安裝，成對使用；所述轉子貫穿于定子，并通過轉子的外螺紋與定子上的兩個螺紋驅動端的內螺紋相配合；所述縱振壓電片和扭振壓電片在定子上激勵出縱振和扭振的復合振動，使得定子螺紋驅動端上的質點運動軌跡為橢圓，定子通過摩擦驅動轉子旋轉，并將旋轉運動轉化為直線運動。
2.根據權利要求1所述的螺紋式直線超聲電機，其特征在于，所述定子通過縱振壓電片和扭振壓電片的激勵，形成一階縱振和二階扭振的復合振動模態作為工作模態，所述一階縱振模態和二階扭振模態頻率接近，用同一頻率激勵信號對電機進行激勵，從而在定子上激勵出的縱、扭振動的相位差接近90度。
3.根據權利要求2所述的螺紋式直線超聲電機，其特征在于，所述扭振壓電片，其上表面電極分成左右兩部分，下表面被完整電極，扭振壓電片左右兩部分極化方向相反，施加相同的交變激勵信號，貼在定子基體的兩側，單片使用時，在扭振壓電片上激勵二階彎曲變形，成對使用時則將扭振壓電片的彎曲變形轉化為定子基體的二階扭轉變形。
4.根據權利要求2所述的螺紋式直線超聲電機，其特征在于，所述縱振壓電片沿厚度方向極化，其上、下表面被完整電極，且與定子基體粘接在一起，貼在定子基體的兩側，成對使用時，施加相同的交變激勵信號，從而在定子基體上激勵出一階縱振變形。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的螺紋式直線超聲電機，其特征在于，所述轉子的外螺紋牙型為三角形、梯形、矩形或圓弧形。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的螺紋式直線超聲電機，其特征在于，所述定子和 /或轉子上設有摩擦副。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的螺紋式直線超聲電機，其特征在于，所述縱振壓電片和扭振壓電片為壓電陶瓷材料或壓電單晶。
全文摘要
本發明公開了一種螺紋式直線超聲電機，包括定子和轉子，其中，所述定子包括定子基體和粘貼在其上的縱振壓電片和扭振壓電片，所述定子基體為，在中空圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼縱振壓電片和扭振壓電片，所述縱振壓電片和扭振壓電片均對稱安裝，成對使用；所述轉子貫穿于定子，并通過轉子的外螺紋與定子上的兩個螺紋驅動端的內螺紋相配合；所述縱振壓電片和扭振壓電片在定子上激勵出縱振和扭振的復合振動，使得定子螺紋驅動端上的質點運動軌跡為橢圓，定子通過摩擦驅動轉子旋轉，并將旋轉運動轉化為直線運動。本發明能夠實現調速和雙向驅動，并具有成本低、精度高、制作簡單等優點，利于微型化和產業化。
文檔編號H02N2/02GK103036472SQ20121049722
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者鹿存躍, 馬藝馨, 王俊璞 申請人:上海交通大學